Двухосная механические характеристики Предсердно-желудочковые клапаны
Summary
Этот протокол включает характеристики предсердно клапан листовок с контролируемой силы, перемещения контролем, и релаксации напряжений двухосных механических процедур тестирования. Результаты, полученные с этот протокол может использоваться для разработки составных моделей для имитации механическое поведение функционирования клапанов в рамках моделирования методом конечных элементов.
Abstract
Обширные двухосных механических испытаний предсердно сердца клапан листовок могут быть использованы для получения оптимальных параметров, используемых в составных моделей, которые обеспечивают математическое представление механические функции этих структур. Этот представленных двухосных механических испытаний протокол включает в себя приобретение ткани (i), (ii подготовка образцов тканей, (iii) двухосных механических испытаний и (iv) постобработка полученных данных. Во-первых приобретение ткани требует получения баранину или свинину сердца от местных продуктов питания и медикаментов одобрил скотобойня для более поздних диссекции для извлечения клапан листовки. Во-вторых Подготовка тканей требует использование ткани образец фрезы на листовке ткани для извлечения четкие зоны для тестирования. Третьих, двухосных механических испытаний образца листовка требует использования коммерческих двухосных механических тестер, которая состоит из под контролем силы, контролируемые перемещения, и релаксации напряжений тестирования протоколов характеризовать листовка ткани механические свойства. Наконец, пост-обработки требует использования методов корреляции данных изображения и силы и перемещения чтений обобщить ткани механического поведения в ответ на внешние нагрузки. В целом результаты от двухосных тестирования показывают, что листовка тканей дают нелинейной, анизотропная механические ответ. Представленных двухосных процедуры тестирования выгодно для других методов, поскольку представленные здесь метод позволяет для более всеобъемлющего характеристика клапана листовка ткани под одной единой схемы тестирования, в отличие от отдельных протоколов испытаний на образцы различных тканей. Предлагаемый метод тестирования имеет свои ограничения в том, что напряжение сдвига потенциально присутствует в образце ткани. Однако любые потенциальные сдвига считается незначительным.
Introduction
Надлежащего сердца функция опирается на соответствующие механического поведения листовок клапан сердца. В ситуациях, где нарушена сердца клапан листовка механики заболевания клапанов сердца происходит, что может привести к другим вопросам, связанным с сердцем. Понимание заболевания клапанов сердца требует глубокого понимания листовки надлежащего механического поведения для использования в вычислительных моделей и терапевтические развития, и таким образом, схему тестирования должны быть разработаны для точного извлечения здоровых механические свойства листовки. В предыдущих литературы это механическая характеристика было проведено с использованием двухосных механических процедур тестирования.
Двухосных механических процедур испытаний для мягких тканей различаются по всей литературы, с различных платформ тестирования, используется для получения различных характеристик1,2,3,4, 5,6,,78,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19. методы тестирования были расширены для исследования механических характеристик сердца клапан листовок. В общем двухосных механических испытаний включает в себя загрузку ткани клапанов сердца с одновременным силами в двух основных направлениях, но как это тестирование проводится изменяется на основе биомеханических свойств соблюдаться. Некоторые из них протоколы испытаний включают в себя (i) скорости деформации, деформации ползучести (ii), (iii) релаксации напряжений и (iv) под контролем сил тестирования.
Во-первых скорости деформации тестирования использовались для определения поведения время зависимых тканей листовки18,20. В этом протоколе испытаний, листовки загружаются максимальная мембраны напряженность в разное время половину цикла (т.е., 1, 0.5, 0.1 и 0.05 s) для определения, если существует значительная разница в пик стрейч или гистерезис между погрузки раз. Однако эти тесты показали незначительное различие в наблюдаемых стрейч с различной штамм тарифы. Во-вторых ползучести тестирования, ткани загружен пик мембраны напряженность и состоявшейся в пик мембраны напряженности. Это тестирование позволяет демонстрация как смещение тканей подкрадывается к поддерживать напряжение мембраны пик. Однако, было показано, что ползучести является незначительным для сердца клапан листовки под физиологически функционирования3,20. В-третьих стресс-тестирование релаксации, ткани загружается пик мембраны напряженность и связанные перемещением проводится постоянная для длительного периода времени3,21,22. В этот тип тестирования тканевый стресс имеет заметное сокращение от пика напряжения мембраны. И наконец в силу контролируемых испытаний, тканей циклически загружаются в различных соотношениях пик мембраны напряженности в каждом направлении17,23. Эти тесты показывают анизотропии материала и ответ нелинейное напряженно деформированного и загружая ткани в различных соотношениях, может лучше понять потенциальные физиологические деформаций. Эти недавние расследования сделал очевидным, что релаксация напряжений и под контролем сил протоколы оказаться наиболее полезным для выполнения механических характеристик сердца клапан листовок. Несмотря на эти успехи в сердце клапан биомеханическая характеристика тестирование не проводилось под одной единой тестирования схемы, и есть ограниченное методы исследовать связь между направлениями.
Цель этого метода заключается в содействии полной материальной характеристику листовки клапан сердца схемой единой двухосных механических испытаний. Единой схемы тестирования рассматривается как одно место, где проверяется каждый буклет под всех протоколов испытаний в одной сессии. Это выгодно, как ткани свойств изначально переменной между листовки, поэтому полная характеристика для каждой листовке доказывает как дескриптор более точной, чем выполнение каждого протокола независимо на различные листовки. Тестирования схема состоит из трех основных компонентов, а именно (i под контролем сил двухосных тестирования протокола, (ii перемещение контролируемых двухосных тестирования протокола и (iii) протокола тестирования двухосных релаксации напряжений. Все тестирования схемы использовать скорость загрузки 4.42 N/мин и 10 циклов погрузки разгрузки для обеспечения напряженно деформированного кривой Воспроизводимость 10 цикла (как найти в предыдущей работе)23. Все протоколы также построены исходя из мембраны напряженность, которая требует, чтобы толщина менее 10% длины эффективного образца.
Под контролем сил протокол, используемый в этом методе представленных состоит из 10 погрузки и разгрузки циклов с пиковой напряженности мембраны 100 N/m и N 75/м для митрального клапана (MV) и трехстворчатого клапана (ТВ), соответственно,15,17. Передаточное, 1:0.75, 0.5:1 и 1:0. 5 в этой под контролем сил тестирования протокола, а именно: 1:1, рассматриваются пять коэффициенты загрузки. Эти пять загрузки соотношения оказаться полезным при описании напряжений и деформаций корреспондент для всех потенциальных физиологического деформаций листовки в естественных условиях.
Перемещение контролируемых протокола, представленные в этом методе состоит из двух сценариев деформации, а именно: (i) ограниченное Одноосное растяжение и (ii) чистого сдвига. В ограниченных Одноосное растяжение, одну сторону ткани перемещены в пик мембраны напряженности во время фиксации в другом направлении. В настройках чистого сдвига ткань растягивается в одном направлении и рассудительно сокращен в другом направлении, поэтому области ткани остается постоянной при деформации. Каждый из этих перемещение контролируемых процедур тестирования выполняется для каждого из направлений двух тканей (кольцевых и радиальных направлениях).
Релаксация напряжений протокол, используемый в методе представленных достигается путем загрузки тканей натяжение мембраны пик в обоих направлениях и удерживая ткани на корреспондентских перемещений за 15 минут, чтобы контролировать поведение релаксации напряжений ткани. Далее рассматриваются подробные экспериментальные процедуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Важнейшие шаги для двухосных механических испытаний включают в себя (i правильной ориентации листовки, (ii) надлежащего двухосных тестер установки для незначительный сдвиг, и (iii тщательного применения фидуциального маркеров. Ориентация листовка имеет решающее значение для полученных ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана американская ассоциация сердца ученый развития Грант 16SDG27760143. Авторы хотели бы также признать наставничество исследовательских стипендий от Университет Оклахомы управление Undergraduate исследований для поддержки Колтон Росс и Девин Лоуренс.
Materials
| 10% Formalin Solution, Neutral Bufffered | Sigma-Aldrich | HT501128-4L | |
| 40X-2500X LED Lab Trinocular Compound Microscope | AmScope | SKU: T120C | |
| BioTester – Biaxial Tester | CellScale Biomaterials Testing | 1.5N Load Cell Capacity | |
| ImageJ | National Institute of Health, Bethesda, MD | Version 1.8.0_112 | |
| LabJoy | CellScale Biomaterials Testing | Version 10.66 | |
| MATLAB | MathWorks | Version 2018b | |
| Phosphate-Buffered Saline | n/a | Recipe for 1L 1X PBS Solution: 8.0g NaCl, 0.2g KCl, 1.44g Na2HPO4, 0.24g KH2PO4 | |
| Single Edge Industrial Razor Blades (Surgical Carbon Steel) | VWR International | H3515541105024 | Razord blades for tissue retrieval and preparation procedures |
Referências
- May-Newman, K., Yin, F. Biaxial mechanical behavior of excised porcine mitral valve leaflets. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 269 (4), H1319-H1327 (1995).
- Billiar, K., Sacks, M. A method to quantify the fiber kinematics of planar tissues under biaxial stretch. Journal of Biomechanics. 30 (7), 753-756 (1997).
- Grashow, J. S., Sacks, M. S., Liao, J., Yoganathan, A. P. Planar Biaxial Creep and Stress Relaxation of the Mitral Valve Anterior Leaflet. Annals of Biomedical Engineering. 34 (10), 1509-1518 (2006).
- Humphrey, J. D., Vawter, D. L., Vito, R. P. Quantification of strains in biaxially tested soft tissues. Journal of Biomechanics. 20 (1), 59-65 (1987).
- Sacks, M. A method for planar biaxial mechanical testing that includes in-plane shear. Journal of Biomechanical Engineering. 121 (5), 551-555 (1999).
- Sacks, M., Chuong, C. Biaxial mechanical properties of passive right ventricular free wall myocardium. Journal of Biomechanical Engineering. 115 (2), 202-205 (1993).
- Stella, J. A., Sacks, M. S. On the biaxial mechanical properties of the layers of the aortic valve leaflet. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (5), 757-766 (2007).
- Lanir, Y., Fung, Y. Two-dimensional mechanical properties of rabbit skin-II. Experimental results. Journal of Biomechanics. 7 (2), 171-182 (1974).
- Sun, W., Sacks, M. S., Sellaro, T. L., Slaughter, W. S., Scott, M. J. Biaxial mechanical response of bioprosthetic heart valve biomaterials to high in-plane shear. Journal of Biomechanical Engineering. 125 (3), 372-380 (2003).
- Sommer, G., Regitnig, P., Költringer, L., Holzapfel, G. A. Biaxial mechanical properties of intact and layer-dissected human carotid arteries at physiological and supraphysiological loadings. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 298 (3), H898-H912 (2009).
- Tong, J., Cohnert, T., Regitnig, P., Holzapfel, G. A. Effects of age on the elastic properties of the intraluminal thrombus and the thrombus-covered wall in abdominal aortic aneurysms: biaxial extension behaviour and material modelling. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 42 (2), 207-219 (2011).
- Billiar, K. L., Sacks, M. S. Biaxial mechanical properties of the natural and glutaraldehyde treated aortic valve cusp-Part I: Experimental results. Transactions-American Society of Mechanical Engineers Journal of Biomechanical Engineering. 122 (1), 23-30 (2000).
- Jett, S., et al. Biaxial mechanical data of porcine atrioventricular valve leaflets. Data in Brief. 21, 358-363 (2018).
- Pham, T., Sun, W. Material properties of aged human mitral valve leaflets. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 102 (8), 2692-2703 (2014).
- Pierlot, C. M., Moeller, A. D., Lee, J. M., Wells, S. M. Biaxial creep resistance and structural remodeling of the aortic and mitral valves in pregnancy. Annals of Biomedical Engineering. 43 (8), 1772-1785 (2015).
- Potter, S., et al. A Novel Small-Specimen Planar Biaxial Testing System With Full In-Plane Deformation Control. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), 051001 (2018).
- Khoiy, K. A., Amini, R. On the biaxial mechanical response of porcine tricuspid valve leaflets. Journal of Biomechanical Engineering. 138 (10), 104504 (2016).
- Grashow, J. S., Yoganathan, A. P., Sacks, M. S. Biaixal stress-stretch behavior of the mitral valve anterior leaflet at physiologic strain rates. Annals of Biomedical Engineering. 34 (2), 315-325 (2006).
- Huang, H. -. Y. S., Lu, J. Biaxial mechanical properties of bovine jugular venous valve leaflet tissues. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. , 1-13 (2017).
- Stella, J. A., Liao, J., Sacks, M. S. Time-dependent biaxial mechanical behavior of the aortic heart valve leaflet. Journal of Biomechanics. 40 (14), 3169-3177 (2007).
- Sacks, M. S., David Merryman, W., Schmidt, D. W. On the biomechanics of heart valve function. Journal of Biomechanics. 42 (12), 1804-1824 (2009).
- Sacks, M. S., Yoganathan, A. P. Heart valve function: a biomechanical perspective. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 362 (1484), 1369-1391 (2007).
- Jett, S., et al. An investigation of the anisotropic mechanical properties and anatomical structure of porcine atrioventricular heart valves. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 87, 155-171 (2018).
- Ruifrok, A. C., Johnston, D. A. Quantification of histochemical staining by color deconvolution. Analytical and Quantitative Cytology and Histology. 23 (4), 291-299 (2001).
- Sacks, M. S. Biaxial mechanical evaluation of planar biological materials. Journal of Elasticity. 61 (1), 199 (2000).
